控制系统工程设计第1章bvlc.pptx
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1、第1章 工程设计与实践基础知识1.1 基础知识1.2 设计原则 1.3 实施步骤1.1 1.1 基础知识基础知识1.1.1 1.1.1 电子器件图例符号电子器件图例符号 常用电子器件有分离元件和集成元件分离元件和集成元件两大类。分离元件包括电阻器、电容器、电感器、二极管、三极管、晶闸管和场效应管。集成元件包括集成运算放大器和典型集成器件。(1 1)分离元件图形及基本文字符号)分离元件图形及基本文字符号1分离元件(2 2)电阻器色码图形表示和额定功率通用符号)电阻器色码图形表示和额定功率通用符号图1-1 电阻器阻值色码表示图例图1-2 电阻器额定功率的通用符号 (3 3)二极管、三极管和晶闸管外
2、形图例)二极管、三极管和晶闸管外形图例图1-3 常用二极管外形图例 图1-4 片状封装二极管外形图例图1-5 三极管外形图例图1-6 片状三极管 图1-7 复合双三极管 图1-8 晶闸管外形图例2集成元件(1 1)集成运放的符号和外形)集成运放的符号和外形图1-9 集成运放的符号 图1-10 集成运放外形图例 (2 2)集成运放的基本应用)集成运放的基本应用图1-11 集成运放反馈回路和输入形式1.1.2 控制流程图例符号控制流程图例符号1工艺设备代号与图例2控制系统常用图例符号图1-12 检测点的标识(1 1)图形符号)图形符号图1-13 仪表图形符号 图1-14 控制室内非监视仪表图形符号
3、(2 2)字母代号)字母代号图1-15 仪表位号组成示例(3 3)仪表位号)仪表位号3控制流程图示例图1-17 计算机控制流程图示例1.1.3 电气设备图例符号电气设备图例符号1.电气设备图形符号表1-11 电机与变压器图形符号 表1-12 仪表、信号器件图形符号 表1-13 配电箱、屏、控制台图形符号 表1-14 电气线路图形符号2.电气设备文字符号(1 1)文字符号)文字符号电气图中除使用设备图形符号外,在电气设备、装备和元件旁边还需要标注一些文字符号以表示电气设备、装备和元件的名称、功能、状态和特征。文字符号可以作为限定文字符号可以作为限定符号与一般图形符号组合,以派生出新的图形符号。符
4、号与一般图形符号组合,以派生出新的图形符号。表1-15 电气设备基本文字符号 表1-16 电气设备辅助文字符号(2 2)辅助文字符号)辅助文字符号表1-17 电源线路和三相电气设备标记符号(3 3)电源线路标记符号)电源线路标记符号 电气电源一般用电气电源一般用三相五线制三相五线制三相五线制三相五线制表示,即三根相(火)线、一根中(零)线和表示,即三根相(火)线、一根中(零)线和一根地线,在电气控制图中也有规范的标记符号表示一根地线,在电气控制图中也有规范的标记符号表示 1.2 设计原则 对于不同的控制对象,系统的设计方案和具体的技术指标是不同的,但系统设对于不同的控制对象,系统的设计方案和具
5、体的技术指标是不同的,但系统设计的基本原则是一致的,这就是:计的基本原则是一致的,这就是:系统的可靠性要高,操作性能要好,实时性要强,系统的可靠性要高,操作性能要好,实时性要强,系统的可靠性要高,操作性能要好,实时性要强,系统的可靠性要高,操作性能要好,实时性要强,通用性要好,经济效益要高。通用性要好,经济效益要高。通用性要好,经济效益要高。通用性要好,经济效益要高。1可靠性要高 系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能系统的可靠性是指系统在规
6、定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。力。力。力。在自动化控制系统中,可靠性指标一般用系统的平均无故障时间(在自动化控制系统中,可靠性指标一般用系统的平均无故障时间(MTBF,Mean Time Between Failures)来表示。)来表示。MTBF反映了系统可靠工作的能反映了系统可靠工作的能力。但是,组成一个系统的元器件往往有成千上万个,组合的方式也各种各样,力。但是,组成一个系统的元器件往往有成千上万个,组合的方式也各种各样,一个系统的一个系统的MTBF再长,也有失效的时候。因此,通常用平均修复时间再长,也有失效的时候。因此,通常用平均修复时间(MTTR,Mean Time T
7、o Repair)表示每次失效(即出现故障)后所需的维)表示每次失效(即出现故障)后所需的维修时间的平均值,它表示系统在出现故障后立即恢复工作的能力。一般希望修时间的平均值,它表示系统在出现故障后立即恢复工作的能力。一般希望MTBF要大于某个规定值,而要大于某个规定值,而MTTR值越短越好。值越短越好。2操作性要好 操作性能好包括两方面含义,操作性能好包括两方面含义,即使用方便和维护容易。即使用方便和维护容易。首先是使用方便,首先是使用方便,系统设计时要尽量考虑方便用户使用,并且要尽量降低对使用人员的专业知系统设计时要尽量考虑方便用户使用,并且要尽量降低对使用人员的专业知识的要求,使他们能在较
8、短时间内熟悉和掌握操作方法。其次是维修容易,识的要求,使他们能在较短时间内熟悉和掌握操作方法。其次是维修容易,即故障一旦发生时易于排除。从软件角度而言,要配置查错程序和诊断程序,即故障一旦发生时易于排除。从软件角度而言,要配置查错程序和诊断程序,以便在故障发生时能用程序帮助查找故障发生的部位,从而缩短排除故障的以便在故障发生时能用程序帮助查找故障发生的部位,从而缩短排除故障的时间;在硬件方面,从零部件的排列位置,标准化的部件设计,以及能否便时间;在硬件方面,从零部件的排列位置,标准化的部件设计,以及能否便于带电插拔等都要通盘考虑,甚至操作顺序等都要从方便用户的角度进行设于带电插拔等都要通盘考虑
9、,甚至操作顺序等都要从方便用户的角度进行设计,如面板上的控制开关不能太多、太复杂等。计,如面板上的控制开关不能太多、太复杂等。3实时性要强 工业控制计算机的实时性,表现在对内部和外部事件能及时地响应,并做工业控制计算机的实时性,表现在对内部和外部事件能及时地响应,并做出相应的处理,不丢失信息,不延误操作。计算机处理的事件一般分为两类:出相应的处理,不丢失信息,不延误操作。计算机处理的事件一般分为两类:一类是定时事件,一类是定时事件,如数据的定时采集,运算控制等,对此类事件,系统应设置如数据的定时采集,运算控制等,对此类事件,系统应设置时钟,保证定时处理;时钟,保证定时处理;另一类是随机事件另一
10、类是随机事件,如事故报警等,对此类事件,系统,如事故报警等,对此类事件,系统应设置中断,并根据故障的轻重缓急预先分配中断级别,一旦事故发生,保证应设置中断,并根据故障的轻重缓急预先分配中断级别,一旦事故发生,保证优先处理紧急故障。优先处理紧急故障。4通用性要好 自动化控制的设备对象千变万化,而控制计算机的研制开发又需要有一定自动化控制的设备对象千变万化,而控制计算机的研制开发又需要有一定的投资和周期,的投资和周期,一般来说,不可能为一台设备和一个过程对象研制一台专用计一般来说,不可能为一台设备和一个过程对象研制一台专用计算机。算机。因此,系统设计时应考虑能适应不同的设备和不同的控制对象。当设备
11、因此,系统设计时应考虑能适应不同的设备和不同的控制对象。当设备或控制对象有所变更时,通用性好的系统一般稍作更改就可适应,这就需要系或控制对象有所变更时,通用性好的系统一般稍作更改就可适应,这就需要系统能灵活扩充且便于修改功能。要使系统能达到这样的要求,首先必须采用通统能灵活扩充且便于修改功能。要使系统能达到这样的要求,首先必须采用通用的系统总线结构,当需要扩充时,只要增加相应的板卡就能实现。当用的系统总线结构,当需要扩充时,只要增加相应的板卡就能实现。当CPU升升级时,也只要更换相应的升级芯片及少量相关电路即可实现系统升级的目的。级时,也只要更换相应的升级芯片及少量相关电路即可实现系统升级的目
12、的。其次,系统设计时,各设计指标要留有一定的余量,如输入其次,系统设计时,各设计指标要留有一定的余量,如输入/输出通道指标、输出通道指标、内存容量、电源功率等均事先留有一定的余量,将为日后系统的扩充创造有利内存容量、电源功率等均事先留有一定的余量,将为日后系统的扩充创造有利的条件。的条件。5经济效益要高 自动化控制应该带来高的经济效益。经济效益表现在两方面:自动化控制应该带来高的经济效益。经济效益表现在两方面:一是系统一是系统设计的性能价格比,设计的性能价格比,在满足设计要求的情况下,应尽量采用可靠、廉价的元在满足设计要求的情况下,应尽量采用可靠、廉价的元器件并尽量缩短设计周期;器件并尽量缩短
13、设计周期;二是投入产出比,二是投入产出比,应该从提高生产过程的产品质应该从提高生产过程的产品质量与产量,降低能耗,消除环境污染,改善劳动条件等方面进行综合评估。量与产量,降低能耗,消除环境污染,改善劳动条件等方面进行综合评估。1.3 1.3 实施步骤实施步骤自动化系统工程的设计与实施一般可分为4个阶段:项目确定与合同签订阶段、初步项目确定与合同签订阶段、初步设计与详细设计阶段、仿真调试设计与详细设计阶段、仿真调试与安装运行阶段和资料归档与项与安装运行阶段和资料归档与项目验收阶段。目验收阶段。1.3.1 1.3.1 项目确定与合同签订阶段项目确定与合同签订阶段1.3.2 1.3.2 初步设计与详
14、细设计阶段初步设计与详细设计阶段1总体设计(1 1)确定系统任务与控制方案)确定系统任务与控制方案首先应对控制对象的工艺流程进行首先应对控制对象的工艺流程进行透彻分析,明确具体控制要求,确定系统所要完成的任务,然后根据系统要求,透彻分析,明确具体控制要求,确定系统所要完成的任务,然后根据系统要求,以及所选设备的性能价格比、操作的方便程度、可扩展性等,确定一种比较合理以及所选设备的性能价格比、操作的方便程度、可扩展性等,确定一种比较合理的设计方案,例如,采用开环还是闭环控制、简单控制还是复杂控制等。的设计方案,例如,采用开环还是闭环控制、简单控制还是复杂控制等。(2 2)确定系统的构成方式)确定
15、系统的构成方式进行控制装置机型的选择。进行控制装置机型的选择。(3 3)选择现场设备)选择现场设备现场设备主要是传感器、变送器和执行器的选择。现场设备主要是传感器、变送器和执行器的选择。随着控制技术的发展,出现了能测量各种参数的传感器,如温度、压力、流量、随着控制技术的发展,出现了能测量各种参数的传感器,如温度、压力、流量、液位、成分、位移、重量、速度等,种类繁多,规格各异;而执行器也有模拟液位、成分、位移、重量、速度等,种类繁多,规格各异;而执行器也有模拟量执行器、数字量执行器及电动、气动、液动等之分。因此,如何正确选择这量执行器、数字量执行器及电动、气动、液动等之分。因此,如何正确选择这些
16、现场设备,确实不是一件简单的事情,其中的任何一个环节都会影响系统的些现场设备,确实不是一件简单的事情,其中的任何一个环节都会影响系统的控制任务和控制精度。控制任务和控制精度。(4 4)确定控制算法)确定控制算法控制算法的选择与系统的数学模型有关,在系统控制算法的选择与系统的数学模型有关,在系统的数学模型确定后,便可推导出相应的控制算法。的数学模型确定后,便可推导出相应的控制算法。所谓数学模型,就是系统动态特性的数学表达式,它表示系统输入所谓数学模型,就是系统动态特性的数学表达式,它表示系统输入所谓数学模型,就是系统动态特性的数学表达式,它表示系统输入所谓数学模型,就是系统动态特性的数学表达式,
17、它表示系统输入/输出及其输出及其输出及其输出及其内部状态之间的关系。内部状态之间的关系。内部状态之间的关系。内部状态之间的关系。一般由实验方法测出系统的阶跃响应特性曲线,然后由一般由实验方法测出系统的阶跃响应特性曲线,然后由曲线确定出其数学模型。当系统模型确定之后,即可确定控制算法。控制系统曲线确定出其数学模型。当系统模型确定之后,即可确定控制算法。控制系统的主要任务就是按此控制算法进行控制。控制算法的正确与否,直接影响控制的主要任务就是按此控制算法进行控制。控制算法的正确与否,直接影响控制系统的调节品质。系统的调节品质。(5 5)硬、软件功能的划分)硬、软件功能的划分一般的考虑原则是,一般的
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